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Termostato per caldaia elettrica
Descrizione di un circuito regolatore di temperatura semplice e affidabile per un sistema di riscaldamento.
L'inverno russo è rigido e freddo e tutti lo sanno. Pertanto, i locali in cui si trovano le persone devono essere riscaldati. Il più comune è il riscaldamento centralizzato o le singole caldaie a gas.
Spesso ci sono situazioni in cui né l'una né l'altra sono disponibili: ad esempio, in un campo pulito c'è una piccola stanza di una stazione di pompaggio dell'acqua, e lì il conducente è in servizio tutto il giorno. Può anche essere una torre di guardia o una stanza separata in un grande edificio disabitato. Ci sono molti esempi simili.
In tutti questi casi, è necessario organizzare il riscaldamento utilizzando l'elettricità. Se la stanza è piccola, allora è del tutto possibile fare con un radiatore elettrico tradizionale ad olio per uso domestico. Per una stanza più grande con una superficie di circa 15-20 metri quadrati, il riscaldamento dell'acqua è spesso organizzato utilizzando un radiatore saldato da tubi, che spesso viene chiamato registro.
Se lasci che le cose vadano da sole e non controlli la temperatura dell'acqua, prima o poi semplicemente bollirà e il caso potrebbe finire in un fallimento di tutto caldaia elettricaPrima di tutto, il suo elemento riscaldante. Per evitare un evento così sfortunato, la temperatura di riscaldamento è controllata da un termostato.
Una delle possibili opzioni per tale dispositivo è proposta in questo articolo. Naturalmente, questo inverno si sta già esaurendo, ma non dovremmo dimenticare che le slitte sono meglio preparate in estate.
Funzionalmente, il dispositivo può essere diviso in diversi nodi: il sensore di temperatura stesso, dispositivo di confronto (comparatore) e un dispositivo di controllo del carico. Di seguito è una descrizione delle singole parti, il loro diagramma e il principio di funzionamento.
Sensore di temperatura
Una caratteristica distintiva del design descritto è che viene utilizzato come sensore di temperatura transistor bipolare convenzionale, che consente di abbandonare la ricerca e l'acquisto termistori o sensori di vario tipo, ad esempio TCM.
Il funzionamento di un tale sensore si basa sul fatto che, come tutti i dispositivi a semiconduttore, i parametri dei transistor dipendono in larga misura dalla temperatura ambiente. Prima di tutto, questa è la corrente inversa del collettore, che aumenta con l'aumentare della temperatura, che influisce sul funzionamento, ad esempio, degli stadi di amplificazione. Il loro punto operativo viene spostato in modo tale che si verifichi una significativa distorsione del segnale e in futuro il transistor semplicemente smette di rispondere al segnale di ingresso.
Questa situazione è inerente principalmente ai circuiti con una corrente di base fissa. Pertanto, vengono utilizzati circuiti a cascata a transistor con elementi di retroazione che stabilizzano il funzionamento della cascata nel suo insieme e riducono anche l'effetto della temperatura sul funzionamento del transistor.
Una tale dipendenza dalla temperatura è osservata non solo per i transistor, ma anche per i diodi. Per verificarlo, utilizzando un multimetro digitale, è sufficiente "suonare" qualsiasi diodo in avanti. In genere, il dispositivo mostrerà una cifra vicina a 700. Questa è solo una caduta di tensione diretta sul diodo aperto, che il dispositivo visualizza in millivolt. Per i diodi al silicio a una temperatura di 25 gradi Celsius, questo parametro è di circa 700 mV e per i diodi al germanio circa 300.
Se ora questo diodo è leggermente riscaldato, almeno con un saldatore, questa cifra diminuirà gradualmente, quindi si ritiene che il coefficiente di temperatura della tensione dei diodi sia -2mV / gradi. Il segno meno in questo caso indica che all'aumentare della temperatura la tensione diretta sul diodo diminuirà.
Questa dipendenza consente anche l'uso di diodi come sensori di temperatura.Se il transistor transita "squillando" con lo stesso dispositivo, i risultati saranno molto simili, pertanto i transistor vengono spesso utilizzati come sensori di temperatura.
Nel nostro caso, il funzionamento dell'intero regolatore di temperatura si basa precisamente su questa proprietà "negativa" della cascata con una corrente di base fissa. Il circuito del termoregolatore è mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Schema del termostato (facendo clic sull'immagine si aprirà lo schema su una scala più ampia).
Il sensore di temperatura è montato su un transistor VT1 tipo KT835B. Il carico di questa cascata è il resistore R1 e i resistori R2, R3 impostati modalità operativa transistor cc. La polarizzazione fissa, che è stata menzionata sopra, è impostata dal resistore R3 in modo che la tensione all'emettitore del transistor a temperatura ambiente sia di circa 6,8 V. Pertanto, nella designazione di questo resistore nel circuito è presente un asterisco (*). Non è necessario ottenere una precisione particolare qui, se solo questa tensione non fosse molto inferiore o superiore. Le misurazioni devono essere effettuate in relazione al collettore del transistor, che è collegato al filo comune della fonte di alimentazione.
Il transistor della struttura p-n-p KT835B non è stato scelto per caso: il suo collettore è collegato a una piastra metallica della custodia, che ha un'apertura per montare il transistor sul radiatore. Per questo foro, il transistor è attaccato a una piccola piastra metallica, a cui è anche collegato il filo conduttore.
Il sensore risultante viene fissato mediante fascette metalliche al tubo di riscaldamento. Poiché, come già notato, il collettore è collegato al filo comune della fonte di alimentazione, non è necessario installare una guarnizione isolante tra il tubo e il sensore, il che semplifica il design e migliora il contatto termico.
comparatore
Per impostare la temperatura, è stato realizzato un comparatore sull'amplificatore operazionale OP1 tipo K140UD608. Attraverso il resistore R5, la tensione dall'emettitore del transistor VT1 viene fornita al suo ingresso invertente e la tensione dal motore del resistore variabile R7 viene fornita all'ingresso non invertente attraverso il resistore R6.
Questa tensione imposta la temperatura alla quale il carico verrà disconnesso. I resistori R8, R9 impostano l'intervallo superiore e inferiore per l'impostazione della soglia del comparatore e quindi i limiti del controllo della temperatura. L'uso della resistenza R4 fornisce l'isteresi necessaria del comparatore.
Dispositivo di controllo del carico
Il dispositivo di controllo del carico è realizzato sul transistor VT2 e sul relè Rel1. Ecco un'indicazione delle modalità di funzionamento del termostato. Questi LED sono HL1 rosso e HL2 verde. Il colore rosso indica il riscaldamento e il colore verde al raggiungimento della temperatura impostata. Il diodo VD1, collegato in parallelo con la bobina del relè Rel1, protegge il transistor VT2 dalle tensioni di autoinduzione che si verificano sulla bobina del relè Rel1 al momento dello spegnimento.
I moderni relè di piccole dimensioni consentono la commutazione di correnti sufficientemente elevate. Un esempio di tale relè è il relè Tianbo mostrato nella Figura 2.
Figura 2. Relè di piccole dimensioni Tianbo.
Come si può vedere nella figura, il relè consente la commutazione di corrente fino a 16A, che consente di controllare un carico fino a 3 kW. Questo è il carico massimo. Per facilitare leggermente il funzionamento del gruppo di contatti, la potenza di carico deve essere limitata a 2 ... 2,5 kW. Tali relè sono attualmente ampiamente utilizzati negli elettrodomestici e negli elettrodomestici, ad esempio nelle lavatrici. Allo stesso tempo, le dimensioni del relè non superano le dimensioni della scatola di fiammiferi!
Lavoro e regolazione di un regolatore di temperatura
Come è stato detto all'inizio dell'articolo, a temperatura ambiente la tensione all'emettitore del transistor VT1 è di circa 6,8 V e, quando riscaldata a 90 ° C, la tensione scende a 5,99 V. Per tali esperimenti, una lampada da tavolo con un paralume in metallo è adatta come riscaldatore. e per misurare la temperatura, un multimetro digitale cinese con una termocoppia, ad esempio DT838.Se il sensore del dispositivo assemblato è montato sul paralume e la lampada viene accesa attraverso il contatto del relè, sarà possibile verificare il funzionamento del circuito assemblato in tale configurazione.
Il comparatore funziona in modo tale che se la tensione all'ingresso invertente (tensione del sensore di temperatura) è superiore alla tensione all'ingresso del non invertente (tensione del setpoint della temperatura), la tensione all'uscita del comparatore è vicina alla tensione della fonte di alimentazione, in questo caso può essere definita un'unità logica. Pertanto, l'interruttore a transistor VT2 è aperto, il relè è acceso e i contatti del relè includono un elemento riscaldante.
Mentre il sistema di riscaldamento si riscalda, anche il sensore di temperatura VT1 si riscalda. La tensione sul suo emettitore diminuisce con l'aumentare della temperatura e quando diventa uguale, o piuttosto leggermente inferiore alla tensione installata sul motore del resistore variabile R7, il comparatore passa in uno stato di zero logico, quindi il transistor viene bloccato e il relè viene disattivato.
L'elemento riscaldante viene diseccitato e il radiatore inizia a raffreddarsi. Anche il sensore a transistor VT1 si raffredda e la tensione sul suo emettitore aumenta. Non appena questa tensione diventa superiore a quella impostata dalla resistenza R7, il comparatore passa in uno stato alto, il relè si accenderà e il processo verrà ripetuto di nuovo.
Un po 'sul funzionamento del circuito di visualizzazione, più precisamente, sullo scopo dei suoi elementi. Il LED rosso HL1 si accende insieme alla bobina del relè Rel1 e indica che il sistema di riscaldamento si sta riscaldando. A questo punto, il transistor VT2 è aperto e il LED HL2 si sposta attraverso il diodo D2, la luce verde è spenta.
Quando viene raggiunta la temperatura impostata, il transistor si chiuderà e spegnerà il relè, e con esso il LED rosso HL1. Allo stesso tempo, un transistor chiuso non bypasserà più il LED HL2, che si illuminerà. Il diodo D2 è necessario affinché il LED HL1, e con esso il relè, non possano accendersi tramite il LED HL2. Tutti i LED sono adatti, quindi il loro tipo non è specificato. Come diodi D1, D2, diodi importati ampiamente usati 1N4007 o KD105B domestico sono abbastanza adatti.
Alimentazione termostato
L'energia consumata dal circuito è piccola, quindi è possibile utilizzare qualsiasi adattatore CA di fabbricazione cinese come alimentatore o assemblare un raddrizzatore stabilizzato a 12V. Il consumo di corrente del circuito non è superiore a 200 mA, quindi è adatto qualsiasi trasformatore con una potenza non superiore a 5 W e una tensione di uscita di 15 ... 17 V.
Il circuito di alimentazione è mostrato nella Figura 3. Il ponte a diodi è realizzato anche sui diodi 1N4007 e il regolatore di tensione è + 12V su uno stabilizzatore integrato di tipo 7812. Il consumo di energia è piccolo, quindi non è necessario installare lo stabilizzatore sul radiatore.
Figura 3. Alimentazione termostato.
Il design del termostato è arbitrario, la maggior parte delle parti sono montate su un circuito stampato, è meglio se anche l'alimentatore è montato lì. Il sensore a transistor è collegato mediante un cavo schermato a due fili, mentre il collettore del transistor è collegato tramite uno schermo.
È desiderabile che ci sia un connettore a tre pin all'estremità del cavo e la sua controparte sulla scheda. È inoltre possibile installare una morsettiera di piccole dimensioni sulla scheda, sebbene sia meno conveniente del connettore. Tale connessione faciliterà notevolmente l'installazione del sensore e dell'intero dispositivo nel suo insieme.
Il dispositivo finito deve essere collocato in una custodia di plastica e installare una resistenza di impostazione della temperatura R7 e i LED HL1 e HL2 all'esterno. È meglio se queste parti sono anche saldate sulla scheda e vengono praticati fori nella custodia.
Il collegamento alla rete elettrica e al riscaldatore sono collegati attraverso la morsettiera, che dovrebbe essere fissata all'interno della custodia in plastica. Per proteggere l'intero dispositivo nel suo insieme, la connessione deve essere effettuata in base al PUE, utilizzando dispositivi di protezione.
Sono stati realizzati molti di questi termoregolatori e tutti hanno mostrato un'accuratezza accettabile del controllo della temperatura, nonché un'altissima affidabilità, perché con tale semplicità del circuito, in realtà non c'è nulla da rompere.
Boris Aladyshkin
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